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FICHES DE COURSDE CHIMIE
P.C.E.M. 1ère année
Dr. Pascal BEZOU
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Tables des Matières
THERMOCHIMIE : 1ER ET 2ÈME PRINCIPE ________________________________3
ÉQUILIBRES CHIMIQUES_____________________________________________5
OXYDO-RÉDUCTION _________________________________________________7
ACIDES - BASES_____________________________________________________8
ATOMISTIQUE______________________________________________________11
MOLÉCULES : LIAISONS & GÉOMÉTRIE_______________________________14
NOMENCLATURE___________________________________________________16
ISOMÉRIE PLANE___________________________________________________18
STÉRÉOISOMÉRIE __________________________________________________20
EFFETS ÉLECTRONIQUES ___________________________________________23
ENTITÉS RÉACTIVES________________________________________________26
MÉCANISMES RÉACTIONNELS _______________________________________28
ALCANES - ALCÈNES - ALCYNES_____________________________________31
HALOGÉNURES D’ALKYLES _________________________________________34
ALCOOLS - THIOLS - AMINES ________________________________________34
ALDÉHYDES - CÉTONES - ACIDES ET DÉRIVÉS_________________________37
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CHIMIE GÉNÉRALE
THERMOCHIMIE : 1ER ET 2ÈME PRINCIPE
1. Définitions
La thermochimie est l’étude des chaleurs de réaction. Les seuls échanges énergétiques entre unsystème chimique et le milieu extérieur sont, en thermochimie, des quantités de chaleur (∆Q) et letravail volumique (∆W).
Convention de signe : L’énergie échangée entre un système et le milieu extérieur est comptéepositivement lorsqu’elle est reçue par le système.
Système ouvert : permet des échanges d’énergie et de matière avec le milieu extérieur.
fermé : permet seulement des échanges d’énergie avec le milieu extérieur.
isolé : aucun échange avec le milieu extérieur.
Transformation isochore : transformation à V constant.
isobare : transformation à P constant.
isotherme : transformation à T constant.
adiabatique : transformation pour laquelle ∆Q = 0.
État standard : P = 105 Pa = 1 bar # 1 atm ; T = 298 K = 25 °C ; [c] = 1 mol.l-1 (⇒ pH = 0)
État standard biologique : T = 310 K = 37 °C (ou T = 298 K = 25 °C) ; pH = 7
2. 1er principe (appliquer à un gaz parfait)
Loi des gaz parfaits : PV = nRT avec R = 8,314 J.mol-1.K-1 # 2 cal.mol-1.K-1
Travail : δW = -Pext.dV Chaleur : δQ = Cv.dT + P.dV = Cp.dT - V.dP
Énergie interne : dU = δW + δQ = Cv.dT Enthalpie : H = U + PV
Transformation : à V cst : ∆U = ∆Qv = Cv.dT à P cst : ∆H = ∆Qp = Cp.dT
à T cst : ∆U = 0 à V et P cst ∆U = ∆H
Réaction exothermique : ∆H < 0 Réaction endothermique : ∆H > 0
Des relations précédentes, on en déduit : Relation de Mayer : Cp - Cv = R
et Formule de Kirchhoff :d(∆H)
dT = Cp(final) - Cp(initial)
d(∆U)
dT = Cv(final) - Cv(initial)
∆H ne dépend pas du chemin suivi : (1) (3)
∆H1-3 = ∆H1-2 + ∆H2-3 (2)
Loi de Hess : ∆Hréaction = ∆Hformation des produits - ∆Hformation des réactifs
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3. 2ème principe
Entropie : dS = dSext + dSint
dSext : échange de chaleur avec le milieu extérieur : dSext = δQ
T
dSint: génération d’entropie à l’intérieur du système : pour une transformation réversible dSint = 0
pour une transformation irréversible dSint > 0
donc pour une transformation réversible : dS = δQrev
T
et pour une transformation irréversible : dS > δQirrev
T
4. Loi de Nernst (3ème principe)
∆S tend vers 0 quand T tend vers 0, et on a S = 0 à T = 0
Enthalpie libre : G = H - TS ⇒ ∆G = ∆H - T.∆S
Réaction spontanée si ∆G < 0
A l’équilibre ∆G = 0
dG = dH - d(TS) = dU + d(PV) - d(TS) = -P.dV + T.dS + d(PV) -d(TS) = V.dP - S.dT
⇒∂G
∂P
T
= V et∂G
∂T
P
= -S
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CHIMIE GÉNÉRALE
ÉQUILIBRES CHIMIQUES
αA + βB γC + δD
t0 α β 0 0
t α - αξ β - βξ γξ δξ
α, β, γ, et δ : coefficients stoechiométriques
ξ : degré d’avancement de la réaction
Équilibre chimique : les 2 réactions inverses sont possibles dans les mêmes conditions et seproduisent simultanément. Elles sont incomplètes et on atteint un état d’équilibre.
1. Variance du système
La variance v d’un équilibre chimique est le nombre de paramètres qu’il faut fixer pour déterminerl’équilibre.
Règle des phases : v = c + 2 - ϕc : nombre de constituants indépendants = n - r avec n : nombre de constituants
et r : nombre de relation entre constituants
2 : correspond au 2 paramètres P et T
ϕ : nombre de phases homogènes (2 gaz = 1 phase ; 2 liquides miscibles = 1 phase ;
2 liquides non miscibles = 2 phases ; 2 solides = 2 phases)
2. Enthalpie libre
dG = V.dP - S.dT + Σµ i.dni (car la composition n’est plus constante, dni ≠ 0)
⇒ à P et T constantes : dG = Σµ i.dni = (γ.µC + δ.µD - α.µA - β.µB) dξ = ∆G.dξLe potentiel chimique peut être défini à partir des pressions, des fractions molaires, ou des activités.
µi = µi0 + RT.ln(P i) ⇒ ∆G = (γ.µC
0 + δ.µD0 - α.µA
0 - β.µB0) + RT.ln
PCγ .PD
δ
PAα.PB
β
∆G = ∆G0 + RT.lnPC
γ .PDδ
PAα.PB
β
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3. A l’équilibre
∆G = ∆G0 + RT.lnKP = 0 ⇔ ∆G0 = - RT.lnKP
⇔d lnKP
d T = −
d
d T
∆G0
RT
Équation de Gibbs-Helmholts : d
d T
G
T
=
1
T
∂G
∂T−
G
T2 = −
H
T2
⇒ Formule de Van’t Hoff : d lnKP
d T =
∆H
RT2
en utilisant les activités : ai = [ci] pour un composé infiniment dilué (applicable aux solutés)
et ai = 1 pour un composé pur (applicable au solvant)
∆G = ∆G0 + RT.lnKC = 0 ⇔ ∆G0 = - RT.lnKC
⇒d lnKC
d T =
∆H
RT2 =
∆U
RT2car P et V constants
Relation entre KP et KC : KP = KC.(RT)∆n
Principe de Le Chatelier : Une modification d’un facteur de l’équilibre déclenche la réaction qui, sielle se produisait seule, provoquerait une variation en sens contraire du facteur modifié.
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CHIMIE GÉNÉRALE
OXYDO-RÉDUCTION
1. Définition
Une oxydation correspond à une perte d’électrons et une réduction à un gain d’électrons.
Un oxydant est une espèce capable de fixer des électrons. Il va subir une réduction.
Un réducteur est une espèce capable de céder des électrons. Il va subir une oxydation.
Ox + n e- Red couple redox : Ox / Red
Le nombre d’oxydation d’un atome correspond à sa charge en cas de coupure hétérolytique.
- Pour un atome neutre : no = 0
- Pour un ion monoatomique : no = charge de l’ion
- Pour l’oxygène : no = -2 sauf pour les peroxydes no = -1 (ex.: H2O2)
- Pour l’hydrogène : no = +1 sauf pour les hydrures no = -1 (ex.: NaH)
2. Oxydo-réduction
Une oxydo-réduction est un échange d’électrons.
L’oxydant le plus fort (E le plus élevé) réagit sur le réducteur le plus fort (E le plus faible).
Ox1 + Red2 Red1 + Ox2 + mH+ E1 > E2
(ex. pour une réaction dépendant du pH)
Référence des potentiels : électrode à hydrogène H+ / 1
2H2 : E0 = 0 (à pH = 0,
PH 2
= 1 bar)
∆G = ∆G0 + RT.ln
Red1[ ] Ox2[ ] H+[ ]m
Ox1[ ] Red2[ ] et ∆G = -nF∆E (travail électrique)
n est le nombre de mole d’électrons échangés,
F, constante de Faraday, est la quantité de charge dans une mole d’électrons (96500 C.mol-1),
∆E est la force électromotrice de la pile, toujours >0.
⇒ Loi de Nernst : ∆E = ∆E0 -
RTnF
.ln
Red1[ ] Ox2[ ] H+[ ]m
Ox1[ ] Red2[ ] = E1 - E2
et E = E0 +
RTnF
.ln
Ox[ ] H+[ ]m Red[ ] = E0 +
0,06.mn
.log H+[ ] +
0,06n
.log
Ox[ ]Red[ ] = E0’ +
0,06n
.log
Ox[ ]Red[ ]
Pile : 2 demi-réactions redox séparées : oxydation anodique (pole -) et réduction cathodique (pole +).
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CHIMIE GÉNÉRALE
ACIDES - BASES
1. Définitions
Selon Brönsted :
- un acide est une espèce susceptible de céder un H+.
AH A- + H+
- une base est une espèce susceptible de fixer un H+.
B + H+ BH+
le pH est défini par : pH = −log H3O
+[ ]Le produit ionique de l’eau est :
Ke = H3O
+[ ] OH−[ ] = 10−14 (à 25 °C)
Eau pure à 25 °C : pH = 7 Solution acide : pH < 7 Solution basique : pH > 7
Une solution tampon est une solution dont le pH varie peu par addition de base, d’acide ou pardilution (dans des conditions modérées).
2. Équilibres acidobasiques
Quand un acide ou une base est mis en solution dans l’eau, il s’établit instantanément un équilibre dedissociation : forme acide + H2O forme basique + H3O+
en plus de l’autoprotolyse de l’eau, toujours présente : 2 H2O H3O+ + OH-
2.1. Cas d’un acide mis dans l’eau
AH + H2O A- + H3O+ (C0 : concentration initiale de l’acide)
- les constantes des deux équilibres sont : Ka =
A −[ ] H3O+[ ]
AH[ ] et Ke = H3O
+[ ] OH−[ ]- électroneutralité :
H3O
+[ ] = OH−[ ] + A −[ ] et conservation de la matière : C0 = AH[ ]+ A −[ ]
La résolution de ce système conduit à une équation du 3ème degré en H3O+.
Hypothèse 1 : la solution est acide donc H3O
+[ ] >> OH−[ ] ⇒ H3O
+[ ] = A−[ ]2.1.1. Si l’acide est fort (pK a < 0)
Hypothèse 2 : la dissociation est forte (quasi totale) donc A−[ ] >> AH[ ] ⇒
H3O
+[ ] = C0
d’où pH = - log C0
2.1.2. Si l’acide est faible (pK a > 0)
Hypothèse 2 : la dissociation est faible donc AH[ ] >> A−[ ] ⇒
H3O
+[ ] = KaC0
d’où pH =
1
2 [ pKa - log C0 ]
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2.2. Cas d’une base mise dans l’eau
B + H2O BH+ + OH- (C0 : concentration initiale de la base)
- les constantes des deux équilibres sont : Kb =
BH+[ ] OH−[ ]B[ ] et
Ke = H3O
+[ ] OH−[ ]
mais on a aussi la constante de l’équilibre inverse :
Ka =B[ ] H3O
+[ ]BH+[ ] et donc Ka.Kb = Ke
- électroneutralité : H3O
+[ ] + BH+[ ] = OH−[ ] et conservation de la matière : C0 = BH+[ ]+ B[ ]
La résolution de ce système conduit toujours à une équation du 3ème degré en H3O+.
Hypothèse 1 : la solution est basique donc OH−[ ] >> H3O
+[ ] ⇒ OH−[ ] = BH+[ ]
2.2.1. Si la base est forte (pK a > 14)
Hypothèse 2 : la dissociation est forte (quasi totale) donc BH+[ ] >> B[ ] ⇒
H3O
+[ ] =Ke
C0
d’où pH = 14 + log C0
2.2.2. Si la base est faible (pK a < 14)
Hypothèse 2 : la dissociation est faible donc B[ ] >> BH+[ ] ⇒
H3O
+[ ] =KeKa
C0
d’où pH = 7 +
1
2 [ pKa + log C0 ]
Une hypothèse A[ ] >> B[ ] est vérifiée si A[ ] est 10 fois plus grand que B[ ].En dehors de toutes approximations, on a toujours la formule d’Henderson :
pH = pKa + log
Base[ ]Acide[ ]
3. Réaction acidobasique
Quand un couple acide/base 1 est mis en présence d’un couple acide/base 2, il y a réaction entrel’acide le plus fort et la base la plus forte :
Acide 1 + Base 2 Base 1 + Acide 2 (pK1 < pK2)
E.i. CA1 CB2 CB1 CA2
E.f. CA1 - α CB2 - α CB1 + α CA2 + αPlus la différence de pKa entre les couples 1 et 2 est élevée, plus la réaction est déplacée dans le sens 1.
Le pH d’un tel mélange est pH = pK1 + log
CB1 + α[ ]CA1 - α[ ] = pK2 + log
CB2 - α[ ]CA2 + α[ ]
On en déduit α puis le pH en faisant, si nécessaire, les approximations voulues.
1
2
10
3.1. Mélange acide faible (CA) - base forte (CB)
CH3COOH + OH- CH3COO- + H2O
E.i. CA CB ε -
E.f. CA - CB 0 CB - (si CA > CB)
⇒ pH = pKA +log
CB[ ]CA -CB[ ]
3.2. Mélange acide faible (CA) - base faible (CB)
CH3COOH + CH3NH2 CH3COO- + CH3NH3+
E.i. CA CB ε ε
E.f. CA - α CB - α α α
⇒ pH = pK1 + log
α[ ]CA - α[ ] = pK2 + log
CB - α[ ]α[ ] d’où on en déduit α puis le pH.
4. Solution tampon
Une solution tampon est obtenue par un mélange équimolaire d’acide et de base conjuguée (ou unmélange proche).
On a donc : pH = pKa
Le pouvoir tampon, défini comme la quantité de H3O+ ou OH- que l’on doit ajouter pour faire varierle pH d’une unité, est d’autant plus fort que la concentration du tampon est élevée.
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CHIMIE ORGANIQUE - GÉNÉRALITÉS PCEM 1
ATOMISTIQUE
1. Atome neutre
ZAX Z : numéro atomique A : nombre de masse (= Z + N)
Noyau : Z protons (+Ze), N neutrons Electrons : Z électrons (-Ze)
Z caractérise l’élément chimique.
Pour un élément chimique donné (même Z), on peut avoir différents atomes qui diffèrent par lenombre N de neutrons (A différent) : ce sont des isotopes. Ex : 1
1H , 12 H , 1
3 H ; 612C , 6
13C , 614C
Dans la nature, la prépondérance des isotopes est fixe. La masse molaire trouvée dans les tables estla moyenne des différentes masses en tenant compte de leur prépondérance.
2. Structure électronique
L’application de la mécanique ondulatoire conduit à l’équation de Schrödinger qui caractérise l’étatd’un électron (mouvement et énergie). Pour résoudre cette équation (et décrire l’état de l’électron), ilfaut introduire des nombres quantiques : (n, l et m sont des entiers)
n : nombre quantique principal n ≥ 1 caractérise la couche (K, L, M, …).
l : nombre quantique secondaire 0 ≤ l ≤ n-1 caractérise la sous-couche (s, p, d, …).
m : nombre quantique magnétique -l ≤ m ≤ +l caractérise la direction de l’orbitale.
s : nombre quantique de spin s = ±
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caractérise le sens de rotation de l’électron.
(n, l, m) caractérise une orbitale atomique ou case quantique et (n, l, m, s) caractérise l’électron.
2.1. Règles de remplissage
Les électrons vont remplir les orbitales en se plaçant dans les niveaux de moindre énergie.
2.1.1. Règle de Klechkowsky
Le remplissage des couches et sous-couches s’effectue selon les (n + l) croissants, et si (n + l) estidentique, selon n croissant :
1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d …
2.1.2. Loi de Hund
Lorsqu’une sous-couche est incomplètement remplie, les électrons s’arrangent de telle sorte que lemaximum d’entre eux aient des spins parallèles (nombre de spin maximum).
2.1.3. Principe d’exclusion de Pauli
Dans un atome, deux électrons ne peuvent pas avoir leurs 4 nombres quantiques identiques.
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2.2. Schéma de Lewis
Les propriétés chimiques d’un atome dépendent de sa couche électronique externe (couche devalence). Le schéma de Lewis d’un atome représente cette couche électronique :
Ex. : 816O O
1s 2s 2p
2.3. Règle de l’octet
Règle empirique selon laquelle, dans une molécule organique, chaque atome doit être entouré de 8électrons (en Lewis). Cette règle est souvent prise en défaut. D’une facon plus générale, les atomesont tendance à acquérir la structure électronique du gaz rare le plus proche en fixant ou cédant desélectrons. Les atomes C, N et O seront donc entourés de 8 électrons, et l’atome H de 2 électrons.
3. Forme des orbitales
3.1. OA s : symétrie sphérique
x
y
z
OA s
3.2. OA p : 2 lobes symétriques par rapport au noyau
x
y
z
+-
x
y
z
-
+
x
y
z
+
-
OA px OA py OA pz
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4. Tableau périodique
Les éléments sont classés par Z croissant. Chaque ligne (= période) correspond au remplissage d’unecouche. Chaque colonne (= famille) correspond aux éléments de même configuration électroniqueexterne (donc de mêmes propriétés chimiques).
Colonne IA : alcalins Colonne IIA : alcalino-terreux (remplissage de la sous-couche s)
Colonne IIIA à IIB : métaux de transitions (remplissage de la sous-couche d)
Colonne IIIB à VIB : famille du B, C, N, O respectivement (remplissage de la sous-couche p)
Colonne VIIB : halogènes Colonne VIIIB : gaz rare (idem)
5. Électronégativité
La saturation d’une couche électronique correspond à une stabilité chimique. Chaque élément tendradonc à acquérir la structure électronique du gaz rare le plus proche :
- en ayant tendance à perdre un ou plusieurs électrons (électropositif)
- en ayant tendance à capter un ou plusieurs électrons (électronégatif)
L’électronégativité est l’aptitude d’un élément à capter un électron. Selon l’échelle de Pauling :
F > O > Cl, N > Br > C, S, I > … > H …
4,0 3,5 3,0 2,8 2,5 2,1
L’affinité électronique est l’énergie libérée lors de la capture d’un électron par un atome.
Le potentiel d’ionisation est l’énergie nécessaire pour arracher un électron à un atome.
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CHIMIE ORGANIQUE - GÉNÉRALITÉS PCEM 1
MOLÉCULES : LIAISONS & GÉOMÉTRIE
1. Les différentes liaisons
1.1. Liaison covalente
La liaison covalente est la mise en commun d’un doublet électronique.
Ex : Cl Cl
Si le doublet appartient initialement à un seul donneur, la liaison covalente est appelée liaison dative.
Ex : CH3
H3C N O
CH3
Les atomes ayant des électronégativités différentes, la liaison covalente entre 2 atomes différents (Cet O par ex.) est polarisée. Les électrons de la liaison sont attirés par l’élément plus électronégatif.
δ+ δ-
Ex : H3C OH
1.2. Liaison ionique
Si la différence d’électronégativité est très importante, la liaison est totalement ionisée.
Ex : Na+, Cl- (électronégativité : Na = 0,9 ; Cl = 3,0)
2. VSEPR ou Théorie de Gillepsie
Le schéma de Lewis d’une molécule ne donne pas sa géométrie.
La méthode VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) permet, à partir de ce schéma, deprédire la géométrie des molécules ou ions du type AXnEp ou A est l’atome central lié à n atomes Xet possédant p paires d’électrons libres E.
Les paires électroniques, liantes ou non liantes, se disposent de telle façon que leurs répulsionsmutuelles soient minimales (donc distances maximales).
AX2 AX3 AX4 AX3E AX2E2
linéaire trigonale plane tétraèdrique pyramide trigonale coudée
α = 180° α = 120° α = 109°28’ α < 109°28’ α < 109°28’
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3. Hybridation des OA
Pour pouvoir établir 4 liaisons covalentes, le C doit être préalablement activé. L’énergie nécessaire àcette activation est récupérée lors de la formation de la molécule.
6C : état fondamental état activé
1s 2s 2p 1s 2s 2p
3.1. Hybridation sp3
Si 4 liaisons simples sont formées, ces 4 liaisons sont équivalentes et donc formées à partir de 4 OAidentiques. L’OA s et les 3 OA p du C sont « mélangées » pour former 4 OA hybridées sp3. Lesliaisons s’effectuent par recouvrement axial (liaison σ).
Ex : CH4 molécule tétraèdrique
3.2. Hybridation sp2
Si 3 liaisons simples sont formées, seul 2 OA p sont utilisées pour former 3 OA hybrides sp2. Ilreste donc une OA p libre pour former une liaisons par recouvrement latérale (liaison π).
Ex : C2H4 molécule plane
3.3. Hybridation sp
Si une seule OA p est utilisée pour former 2 OA hybrides sp, il reste 2 OA p libres pour former 2liaisons π.
Ex : C2H2 molécule linéaire
H
C
HH
H
C C
H
H
H
H
C CH H
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CHIMIE ORGANIQUE - GÉNÉRALITÉS PCEM 1
NOMENCLATURE
1. Identification des molécules
La spectrométrie de masse donne la masse moléculaire.
L’analyse élémentaire donne le pourcentage massique de chaque atome (C, O, N, S).
⇒ Formule brute
L’infrarouge indique les différentes fonctions présentent dans la molécule.
La RMN donne des informations sur le squelette de la molécule (environnement des H et C).
L’UV-Visible donne des renseignements sur les systèmes π .
⇒ Formule développée
2. Nomenclature officielle (IUPAC)
Ex : (voir tableau)
CH C CH C
C2H5
CH
CH3
CH3 OCH C
CH3
O
HOH
123
4567
8
1) Recherche de la fonction principale
aldéhyde ⇒ …al
2) Recherche de la chaîne carbonée la plus longue contenant la fonction principale
8 carbone ⇒ oct…al
3) Recherche des insaturations dans la chaîne carbonée la plus longue
1 alcène ⇒ octènal
4) Numérotation de la chaîne avec l’indice la plus faible pour la fonction principale
⇒ oct-4-ènal
5) Recherche des différents substituants dans l’ordre alphabétique
⇒ 4-éthyl-3-hydroxy-2,7-diméthyl-6-oxo-oct-4-ènal
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Fonctions classées par ordre de priorité décroissante
Fonction Préfixe Suffixe
—COOH acide carboxylique carboxy- acide …oïque
—SO3H acide sulfonique sulfo- acide …sulfonique
—COO- carboxylate - …oate de métal
—COOR ester R-oxycarbonyl- …oate de R
—COX halogénure d’acide halogénoformyl- halogénure de …oyle
—CONH2 amide carbamoyl- …amide
—CN nitrile cyano- -nitrile
—CHO aldéhyde formyl- …al
—CO— cétone oxo- …one
—OH alcool hydroxy- …ol
—SH thiol mercapto- …thiol
—O-OH hydroperoxyde hydroperoxy- -
—NH2 amine amino- …amine
=NH imine imino- …imine
—OR éther R-oxy- -
—SR sulfure R-thio- -
—O-OR peroxyde R-dioxy- -
= alcène - …ène
≡ alcyne - …yne
— alcane - …ane
—NO2 dérivé nitré nitro -
—X halogénure halogéno- -
1 C : méth- 4 C : but- 7 C :hept- 10 C : déc- cyclique : cyclo-
2 C : éth- 5 C : pent- 8 C : oct- 11 C : undéc-
3 C : prop- 6 C :hex- 9 C : non- 12 C : dodéc-
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CHIMIE ORGANIQUE - GÉNÉRALITÉS PCEM 1
ISOMÉRIE PLANEIsomères : composés de même formule brute mais dont l’arrangement des atomes est différent.
Il y a deux grands type d’isomérie: l’isomérie plane et la stéréoisomérie.
Isomères plans: composés de même formule brute mais de formule développée (plane) différentes.
Stéréoisomères : composés de même formule brute, même formule développée, mais dontl’arrangement spatial relatif des atomes est différent.
1. Isomérie plane
1.1. Isomérie de chaîne
Les composés diffèrent par leur chaîne carbonnée (ramification).
Ex :
pentan-2-one 3-méthyl-butan-2-one
1.2. Isomérie de position
Les composés diffèrent par la position d’une fonction.
Ex :
pentan-2-one pentan-3-one
1.3. Isomérie de fonction
Les composés diffèrent par la nature d’une fonction.
Ex :
pentan-2-one pent-4-èn-1-ol
1.4. Tautomérie
Isomérisation présente dans les dérivés carbonylés.
Ex : équilibre céto-énolique des cétones CH3 C CH3
O
CH3 C CH2
OH
forme cétone forme énol
CH3 C CH2 CH2 CH3
O
CH3 C CH
O
CH3
CH3
CH3 C CH2 CH2 CH3
O
CH3 CH2 C CH2
O
CH3
CH3 C CH2 CH2 CH3
O
CH2 CH CH2 CH2 CH2 OH
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2. Isomérie Géométrique
2.1. Double liaison (Z,E)
R3
R4
R1
R2
R4
R3
R1
R2
1
2
3
4
1
2
3
4
Z E
Ce type d’isomérie ne peut exister que si R1 ≠ R2 et R3 ≠ R4
Ces deux composés Z et E sont des diastéréoisomères et l’isomérie géométrique est parfois classéedans la stéréoisomérie.
Pour le classement des substituants, voir la partie Stéréoisomérie.
2.2. Cycle (Cis-Trans)
CH3CH3
CH3
CH3
Cis: du même coté du plan de la molécule Trans: de part et d’autre du plan
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CHIMIE ORGANIQUE - GÉNÉRALITÉS PCEM 1
STÉRÉOISOMÉRIEStéréoisomères : composés de même formule brute, même formule développée, mais dontl’arrangement spatial relatif des atomes est différent.
1. Stéréoisomères de conformation
La libre rotation autour d’une simple liaison σ est gênée par des barrières d’énergie.
A température ambiante, cependant, les molécules ont une énergie thermique suffisante pour vaincreces barrières. Elles adoptent sans cesse toutes les positions de rotation dont certaines sont plusstables que d’autres: ces positions sont dites conformations, et la molécule dans chaque positions’appelle conformère.
Ex.: • éthane CH3-CH3
Décalée Eclipsée
• butane CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
H H
CH3
H H
H
H
CH3CH3
HH
H
H H
CH3H CH3
H
H
CH3H
CH3
H
Décalée Anti Décalée Syn (ou gauche)
la plus stable moins stables à cause des interactions gauche
Rq.: Certaines “décalées gauches” peuvent être mieux stabilisées que les “décalées anti” par suite del’établissement d’une liaison hydrogène.
• cyclohexane: 2 conformères chaises plus stables que le conformère bateau.
La stabilité relative des 2 formes chaises dépend de la position des substituants: un substituant enposition équatoriale est plus stable qu’un substituant en position axiale.
H
H H
HH H
H
H HH
H
H
H
H H
OO H
H
H
21
2. Stéréoisomères de configuration
Contrairement aux conformères, les stéréoisomères configurationnels nécessitent de casser desliaisons pour passer d’un stéréoisomère à un autre.
Pour comparer les structures, on utilise la règle séquentielle de Cahn, Ingold et Prelog (CIP) quiclasse les groupements par priorité en choisissant pour critère le numéro atomique :
I > Br > Cl > F > O > N > C > H
Z= 53 35 17 9 8 7 6 1
Pour les isotopes, l’isotope le plus lourd est prioritaire : 2D > 1H
Si 2 groupements ont un premier atome identique, on départage avec l’atome suivant.
2.1. Chiralité
Le pouvoir rotatoire existe dans toute molécule qui ne possède ni centre ni plan de symétrie.
Toute molécule n’ayant pas ces éléments de symétrie sera dite chirale. C’est le cas des moléculesayant un carbone asymétrique. Le carbone asymétrique sera dit centre de chiralité et noté C*, c’estun C sp3 (tétraèdrique) portant 4 substituants différents.
Les molécules chirales sont optiquement actives et on distinguera, expérimentalement, l’isomèrelévogyre (l) ou (-) et l’isomère dextrogyre (d) ou (+). Il n’y a aucune corrélation entre lesappellations (d) et (l), et la configuration absolue du C* (R et S) (et de même avec D et L).
Une molécule contenant un C* aura 2 isomères optiques. Une molécule contenant n C* aura aumaximum 2n isomères optiques.
Enantiomères : deux configurations non superposables images l’une de l’autre dans un miroir. Ils ontmêmes propriétés chimiques et physiques, excepté le pouvoir rotatoire.
Diastéréoisomères : stéréoisomères qui ne sont pas énantiomères (propriétés physiques différentes).
Epimères : diastéréoisomères qui ne diffèrent que par la configuration d’un seul C*.
2.2. Configuration absolue d’un centre de chiralité
OHC
CH2OH
OH
HCHO
CH2OH
HO
H
1 12 2
3 3
R S
2.3. Convention de Fisher
La chaine carbonée est verticale avec la fonction la plus oxydée vers le haut. Les substituants descarbones (liaisons horizontales) sont vers l’avant, et les liaisons C-C (liaisons verticales) versl’arrière.
CH2OH
CHO
OHH
CH2OH
CHO
HO
H
1
2
3
Cram Fisher
22
2.4. Cas de plusieurs centres de chiralités
H
CHO
OH
CH2OH
H OH
H
CHO
HO
CH2OH
HHO
H
CHO
OH
CH2OH
HO H
H
CHO
HO
CH2OH
OHH
R
R
R
R
S
S S
S
I Érythro II III Thréo IV
(I, II) et (III, IV) sont énantiomères, (I, III), (I, IV), (II, III) et (II, IV) sont diastéréoisomères
Selon la position du OH porté par le dernier C*, I et IV appartiennent à la série D, II et IIIappartiennent à la série L. Pour les acides aminés, on regarde la position du NH2.
Si les groupements terminaux sont identiques, les 2 composés érythro possèdent un plan desymétrie et sont donc superposables. Le composé est appelé méso.
H
COOH
OH
COOH
H OH
H
COOH
HO
COOH
HHO
R
S
S
R≡
Méso
23
CHIMIE ORGANIQUE - GÉNÉRALITÉS PCEM 1
EFFETS ÉLECTRONIQUES
1. Effet inductif
La liaison covalente entre deux atomes d’électronégativité différente est polarisé : l’atome le plusélectronégatif attire le doublet de la liaison. Le moment dipolaire du dipôle ainsi formé est d’autantplus grand que la différence d’électronégativité est grande.
Cette polarisation modifie les propriétés des chaînes carbonées : c’est l’effet inductif (ou inducteur).
Cet effet inductif peut se transmettre le long de 3 liaisons σ en diminuant d’intensité. Il estintégralement transmis par une liaison π. De plus, cet effet est additif.
C Cl>δ+ δ-
C C C Cl> >> >>>δ-δ'+δ''+δ'''+
C C C C Cl> >> >>>
Groupements inductif attracteur (par rapport au C) :
–NH3+ > –NO2 > –F > –Cl > –Br > –I > –OH > –NH2
Groupements inductif donneur (par rapport au C) :
–Na > –Li > –CR3 > –CHR2 > –CH2R > –CH3
2. Effet mésomère
Quand 2 doublets (électrons π ou doublet libre p) ne sont séparés que par une seule simple liaison σ,il y a conjugaison. Ce phénomène modifie les propriétés de la molécule : c’est l’effet mésomère. Cephénomène existe aussi entre un doublet et une lacune électronique ou un e- célibataire (radical).
Ex :
H2C CH CH CH2
H2C CH CH CH2
H2C CH CH CH2
H2C CH CH CH2
Chaque liaison à un caractère partiel de double liaison. Ces formes sont appelées formes limites derésonance ou formes mésomères. Les formes limites doivent toujours respecter la règle de l’octet.
Importance des formes limites : sont majoritaires, les formes limites :
- qui font apparaitre le maximum de doubles liaisons,
- dont la localisation des charges est en accord avec l’électronégativité,
- non chargées par rapport à celles qui portent des charges contraires.
La différence d’énergie dans la molécule entre le calcul théorique de ∆Hf0 de la forme limite la plus
stable et l’expérience est appelée énergie de résonance. Cette énergie de résonance E R est d’autantplus forte qu’il y a de formes limites, et la molécule est d’autant plus stable que ER est élevée.
En présence de deux effets inductif et mésomère contraires, l’effet mésomère l’emporte presquetoujours sur l’effet inductif (sauf pour un halogène porté par un cycle aromatique).
24
Groupements mésomère attracteur :
–NO2 –SO3H –CN –CO–
Groupements mésomère donneur :
–O– –NR– –S– –F –Cl –Br –I
2.1. Aromaticité
Règle empirique de Hückel :Une molécule est aromatique si : - elle est monocyclique,
- elle est polyènique conjuguée,- elle est plane,- le nombre d’e- délocalisés est 4n + 2 (n entier).
=
benzène formes limites de Kékulé formes limites de Dewar
Dans le cas de molécules polycycliques, on ne compte que les e- périphériques délocalisés.
Influence des effets électroniques sur le benzène monosubstitué : Un groupement mésomère donneurfait apparaitre des charges négatives sur les sites ortho et para du cycle benzénique.
O O O O OR
||R R R R
| | | ||
3. Interactions moléculaires
3.1. Liaison hydrogène
La liaison hydrogène existe entre l’atome H (très petit) porté par un atome très électronégatif (O, N)et un atome de petite taille et possédant un doublet libre (O, N, F). C’est une liaison faible (énergiede liaison : 10 à 40 kJ.mol-1 par rapport aux liaisons covalentes : 100 à 1000 kJ.mol-1)
Les liaisons H intermoléculaires explique la température d’ébullition anormalement élevée de l’eau :
HO
H
HO
H
HO
H
HO
HHO
H
25
Les liaisons H intramoléculaires sont responsable des phénomènes de chélation et influent surl’acidité des groupements.
C
O
O
H
H
3.2. Liaisons de Van Der Waals
Ce sont des forces très faibles (0,1 à 1 kJ.mol-1) et à courte portée résultant de l’interaction entredeux moments dipolaires instantanés. Pratiquement, ces interactions n’interviennent donc qu’entredes chaînes hydrocarbonées.
26
CHIMIE ORGANIQUE - GÉNÉRALITÉS PCEM 1
ENTITÉS RÉACTIVESUne réaction, en chimie organique, nécessite la rupture de liaisons covalentes. Ce clivage peut se fairede façon homolytique ou hétérolytique, selon la polarité de la liaison.
1. Radicaux
Si chaque atome garde son électron, la rupture est homolytique et il se forme des radicaux :
Ex : addition radicalaire de HBr (anti-Markovnikov) (Y est issu d’un initiateur de radicaux)
H Br+ Y H
H
HH3C
H3CC CH2Br
H3C
H3C
Y Br+
Br +
C CH2BrH3C
H3CH Br+ CH CH2Br
H3C
H3CBr+
Les radicaux sont généralement plans (sp2, l’orbitale pz contient un e-) et d’autant plus stable qu’ilssont substitués (C• tertiaire > C• secondaire > C• primaire).
2. Carbocations
Si le carbone est lié à un atome plus électronégatif, les 2 électrons partent avec cet atome, la ruptureest hétérolytique et il se forme un carbocation :
Ex : substitution d’un halogénure d’alkyle
C Br
CH3
H3C
CH3
C
CH3
H3C
CH3
+ Br+ -
C
CH3
H3C
CH3
+ H2O+ C OH
CH3
H3C
CH3
H+ +
Les carbocations sont plans (sp2, l’orbitale pz est vide) et d’autant plus stable qu’ils sont substitués(C+ tertiaire > C+ secondaire > C+ primaire).
Les carbocations peuvent subir des transpositions pour donner un carbocation plus stable :
C CH2
CH3
H3C
CH3
C CH2
H3C
H3CCH3
+ +
27
3. Carbanions
Si le carbone est lié à un atome moins électronégatif, les 2 électrons restent sur le carbone, la ruptureest hétérolytique et il se forme un carbanion :
Ex : addition sur un dérivé carbonylé
CH2 MgBr MgBr+R CH2R - +
+CH2R -C O
R1
R2
C O
R1
CH2
R2
-R
Les carbanions sont tétraédrique (sp3, l’orbitale pz contient 2 e-) et d’autant plus stable qu’ils sontmoins substitués (C- primaire > C- secondaire > C- tertiaire).
La stabilité des radicaux, carbocations et carbanions est gouverné par les effets électroniques(inducteur et mésomère) existant dans la molécule.
28
CHIMIE ORGANIQUE - GÉNÉRALITÉS PCEM 1
MÉCANISMES RÉACTIONNELS
1. Réactions de Substitutions Nucléophiles
29
2. Réactions d’Éliminations
30
3. Principales Substitutions Nucléophiles
4. Compétitions Élimination - Substitutions Nucléophiles
31
CHIMIE ORGANIQUE - FONCTIONS PCEM 1
ALCANES - ALCÈNES - ALCYNESL’oxydation complète (combustion) d’une molécule organique quelconque (CxHyOzNw) conduit àCO2 + H2O + N2 (si N présent dans la molécule).
1. Alcanes
Formule générale : CnH2n+2
Acidité : R-CH3 / R-CH2- pKa ≈ 40-50
Très peu réactif. Substitution d’un H par mécanisme radicalaire:
Cl2 2 Clhν
CH4 + Cl CH3 + HCl
CH3Cl + ClCH3 + Cl2
On obtient un mélange des composés mono, di, tri et tétrachlorés.
CH4 CH3Cl CHCl3 CCl4CH2Cl2
2. Alcènes
Formule générale : CnH2n
Acidité : R-CH=CH2 / R-CH=CH- pKa ≈ 35
Plus un alcène est substitué, plus il est stable. Un alcène trans est plus stable que le cis.
La liaison Π donne à la molécule les propriétés d’un nucléophile.
2.1. Hydrogénation
C’est une addition syn.
H H
CatalyseurH H
32
2.2. Oxydation
2.2.1. Oxydation ménagée: formation de diols
Réalisée dans des conditions douces. C’est une addition syn.
KMnO4 diluéou OsO4
O O
MnOO
OH OH
H2O
2.2.2. Epoxydation
Avec un peracide (RCO3H).
OHO
COR
O
2.2.3. Oxydation forte: coupure de la double liaison
Réalisé dans un milieu fortement oxydant.
H
KMnO4 conc.et chaud O O
OH+
Avec l’ozone, l’oxydation se déroule en 2 étapes ce qui permet de conserver les aldéhydes si besoin.
O OOH
+
H
O3O O
O H
H2O + Zn
+ H2O O OH
+ + H2O + O2 + Zn2+
H2O
33
2.3. Addition électrophile
2.3.1. Passage par un carbocation
Non stéréospécifique. Addition selon Markovnikov sauf si effets électroniques contraire.
H XH H X
+ X
H-X = H-Cl, H-Br, H-I, H-F, H-OH, H-OSO3H, H-OR, …
mais aussi RCO-Cl ou R-Cl en présence de AlCl3 (équivalent à RCO+,Cl- ou R+,Cl-), …
2.3.2. Passage par un pont halonium
C’est une addition anti.
X Y X X
Y
+ Y
X-Y = Br2, Cl2, I2, F2, Br-OH (Br2 + H2O), Cl-OH (Cl2 + H2O), …
3. Alcynes
Formule générale : CnH2n-2
Acidité : R-C≡CH / R-C≡C- pKa ≈ 25
Réactivité semblable aux alcènes.
Particularité : présence d’un hydrogène « acide » dans les alcynes vrais.
NaNH2ou NaR C CH R C C , Na
34
CHIMIE ORGANIQUE - FONCTIONS PCEM 1
HALOGÉNURES D’ALKYLESALCOOLS - THIOLS - AMINES
1. Halogénures d’alkyles
Formule générale : R-X avec X = F, Cl, Br ou I.
Leur réactivité est due à la liaison C-X polarisée : le C est électrophile.
1.1. Substitutions Nucléophiles
En présence d’un nucléophile, il y a substitution du groupe X. Si le carbocation intermédiaire eststabilisé par des effets électroniques (inducteurs ou mésomères), le mécanisme sera d’ordre 1.
X
CR1R2
R3 C
Nuc
R1R2
R3
SN1
Nuc
CR1R2
R3+C R1
R2
R3 Nuc -- X -
X
CR1R2
R3
Nuc
R1R2
R3
SN2
C
Nuc
X
R1R2
R3Nuc - - X -
Nuc- = X-, OH- (ou H2O), RO- (ou ROH), R3N, CN-, R- (= R-MgX), …
1.2. Éliminations
En présence d’une base, il y a élimination du groupe X et d’un H en α du carbone portant X.
X
HR1
R3
R4
R2B -
X
HR1
R3
R4
R2
B
- X -
R3 R1
R4 R2
E1
+ BH
X
HR1
R3
R4
R2B -
E2
- X -
HR1
R3
R4
R2R3 R1
R4 R2
R3 R2
R4 R1
+ + BH
La C=C la plus substituée (ou la plus stabilisée) est majoritaire.
B- = OH- (ou H2O), RO- (ou ROH), R3N, R- (= R-MgX), …
R2 C X
R1
R3
>>δ + δ -
35
1.3. Particularité des halogénures d’alkyles
En présence de métaux tels que Mg, Li ou Zn, ils donnent des composés organométalliques(organomagnésiens, organolithiens, organozincites), qui sont des générateurs de carbanions.
R2 C X
R1
R3
MgR2 C MgX
R1
R3
δ - δ +<<
2. Alcools
Formule générale : R-OH
Acidité : R-OH / R-O- pKa ≈ 18 R-OH2+ / R-OH pKa ≈ - 2
La liaison C-O est polarisée comme la liaison C-X et les alcools donnent les mêmes réactions desubstitutions nucléophiles et d’éliminations (cf 1.1 et 1.2).
Les doublets libres sur l’O donne à la molécule les propriétés d’un nucléophile.
2.1. Propriétés acides
R OH + Mx R-O-, Mx+ + H212- Mx = Na, K, Li, Al, Zn, …
2.2. Déshydratation
R2
R1
OH
R3
R4
HR1
R2
R4
R3R2
R1
R3
R4
H
H2SO4∆
Les alcools étant nucléophiles, le passage par un carbocation peut aussi conduire à un éther R-O-R sila réaction est faite à plus basse T et en présence d’un excès d’alcool.
2.3. Acétalisation - Cétalisation
R OH R1
O
R2
+ R1
OH
R2
OR R1
OR
R2
ORR-OH
+ H2O
aldéhyde ou cétone hémiacétal ou hémicétal acétal ou cétal
2.4. Estérification
R OH R1
O
XR1
O
OR+ + XH
X = OH, Cl, OCOR1
36
2.5. Oxydation
R CH2 OH
CH OHR1
R2
C OH
R1
R2
R3
R CHO R COOH
R1C O
R2
Ox
Ox
Ox
mélange d'aldéhydes, cétones et acidesdifficile
facile
Ox = CrO3, Cr2O72- dilué, KMnO4 dilué
R1
R2 R3
R4
OHOH
R1 R2
O
R3 R4
O
+Pb(OCOCH3)4
diols α-β
3. Thiols
Formule générale : R-SH
Acidité : R-SH / R-S- pKa ≈ 12 R-SH2+ / R-SH pKa ≈ - 7
La polarisation de la liaison C-S et les doublets libres sur le S donnent sensiblement les mêmeréactions que les alcools.
3.1. Particularité des thiols : oxydation
R SH R S S R R SO3HR SHOx HNO3
Red
Ox = H2O2, CuCl, Pb(OCOCH3)4, I2
4. Amines
Formule générale : R3N
Acidité : R3NH+ / R3N pKa ≈ 10 R2NH / R2N- pKa ≈ 35
La polarisation de la liaison C-N et le doublet libre sur l’ N donnent sensiblement les même réactionsque les alcools.
4.1. Particularité des amines : l’ N peut réagir plusieurs fois
NH3R-X
RNH2 R2NH R3N R4N+,X-R-X R-X R-X
R NH2 R1
O
R2
+ R1
OH
R2
NHR NR1
R2
R + H2O
imine
37
CHIMIE ORGANIQUE - FONCTIONS PCEM 1
ALDÉHYDES - CÉTONES - ACIDES ET DÉRIVÉS
1. Aldéhydes et Cétones
Formule générale : R-CO-R’ si R ou R’ = H : aldéhyde
Acidité : R-CO-CH2-R’ / R-CO-CH--R’ pKa ≈ 20 R-COH+-R’ / R-CO-R’ pKa ≈ - 7
O
R1 R2
R1CH2 R2
OR1
CH
OH
R2
O
R1 R2
mésomérie tautomérie céto-énolique
La liaison C=O est fortement polarisée par un effet mésomère : le carbone est fortement électrophile.Les effets inducteurs donneurs des groupes alkyles diminuent la réactivité du CO : les aldéhydessont plus réactives que les cétones.
L’H en α du CO présente un caractère acide particulier dû à la forme énolique.
1.1. Additions nucléophiles sur le CO
+ R1
O
Nuc
R2 R1
OH
Nuc
R2
O
R1 R2
Nuc- H2O
Nuc- = OH- (ou H2O), RO- (ou ROH), R3N, CN-, R- (= R-MgX), …
L’addition peut se faire en catalyse acide par protonation préalable de l’O du CO.
Voir aussi les alcools et les amines.
1.2. Comportement nucléophile: aldolisation-cétolisation
R1CHR2
O
R2 CH
O
R1
R2
O
CH2
R1CHR2
O
R1CH2R2
O
H
R1CH2R2
O
R2 CH
O
R1
R2
OH
CH2 R1 R1
++B-
H2O
aldol (R2 = H) ou cétol
B- = Na, NaH, NaNH2, …
38
Cette réaction de condensation est généralement suivie d’une déshydratation (crotonisation) :
R2 CH
O
R1
R2
OH
CH2
R2
O
R1
CH2
R2
R1
R1
H3O+
R2 CH
O
R1
R2
OH2
CH2 R1
1.3. Réduction
O
R1 R2
1) LiAlH4
2) H3O+ R1 CH
OH
R2
O
R1 R2
Zn / HgHCl R1 CH2 R2 (Clemmensen)
C OR1
R2
+ H2N NH2 C NR1
R2
NH2 C NR1
R2
NH- H2O EtO-
CH NR1
R2
NCHR1
R2
+ N2EtOH
CH2
R1
R2
(Wolff-Kishner)
1.4. Oxydation
Les aldéhydes sont très facilement oxydés en acides.
Les cétones sont difficilement oxydées. Les cétones énolisables (comportant un H en α du CO)peuvent être oxydées en acides par des oxydants forts (KMnO4 concentré et chaud, HNO3, …).
2. Acides carboxyliques et dérivés
Formule générale : R-COOH (acides) ou R-COX avec X = OR’, Cl ou OCOR
Acidité : R-COOH / R-COO- pKa ≈ 5
La liaison C=O est fortement polarisée par un effet mésomère, comme pour les carbonylés, maisl’électrophilie du C est fortement diminuée par l’effet mésomère donneur de l’O de la liaison C-O.
O
R O H
2.1. Estérification
O
R1 OH
R2 OHR1
OH
OH
HOR2
H+
R1
O
OH2
OR2
H O
R1 OR2
39
2.1.1. Saponification : régénération de l’acide
O
R1 OR2
R1
O
OR2
OH
O
R1 OHOH -
+ R2O -
O
R1 O -
+ R2OH
2.1.2. Condensation de Claisen (équivalent de la cétolisation)
R1CHR2O
O
R2O CH
O
R1
OR2
O
CH2
R1CHR2O
O
R1CH2R2O
O
H
R1CH2R2O
O
R2O CH
O
R1
CH2
O
+ R2O -
+
R1
B-
R1
+
2.2. Synthèse des chlorures et anhydrides d’acides
O
R OH+ Cl2S O
O
R Cl+ SO2 + HCl
également possible avec PCl3 ou PCl5 à la place de SOCl2.
O
R OH+
O
R
O
R O
O
RHO
P2O5(- H2O)
On peut également faire réagir le carboxylate sur le chlorure d’acide pour obtenir l’anhydride.
2.2.1. Réactivité des chlorures et anhydrides d’acides
Les chlorure et anhydride d’acides sont beaucoup plus réactifs que leur acide correspondant car le
groupe partant est plus stable (Cl- ou RCOO-).
En présence d’un acide de Lewis ces composés donnent un carbocation :
O
R X+ AlCl3
O
R+ AlCl3X
2.3. Décarboxylation
O
R O HR + H + CO2
RH + CO2∆
200°C
40